Análisis del desempeño de los frenos en vehículos que incorporen el sistema antibloqueo (ABS) en caminos irregulares

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. MAESTRÍA EN SISTEMAS AUTOMOTRICES. ANÁLISIS DEL DESEMPEÑO DE LOS FRENOS EN VEHÍCULOS QUE INCORPOREN EL SISTEMA ANTIBLOQUEO (ABS) EN CAMINOS IRREGULARES. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE MAGISTER EN SISTEMAS AUTOMOTRICES ING. GUILLERMO GORKY REYES CAMPAÑA gorky_reyes@hotmail.com ING. JUAN PABLO TAMAYO BENAVIDES juan_pablo_tb@hotmail.com. DIRECTOR: ING. ANDRÉS ZUMÁRRAGA, MSC. andres.zumarraga@gm.com COLABORADOR: ING. CÉSAR AYABACA, MSC.. QUITO 2015.

(2) i. DECLARACIÓN. Nosotros, Guillermo Gorky Reyes Campaña y Juan Pablo Tamayo Benavides, declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. La. Escuela. Politécnica. Nacional,. puede. hacer. uso. de. los. derechos. correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. Ing. Gorky G. Reyes C.. Ing. Juan P. Tamayo B..

(3) ii. CERTIFICACIÓN. Certificamos que el presente trabajo fue desarrollado por Ing. Guillermo Gorky Reyes Campaña y el Ing. Juan Pablo Tamayo Benavides bajo nuestra supervisión.. Ing. Andrés Zumárraga, MsC. DIRECTOR DE PROYECTO. Ing. César Ayabaca, MsC. COLABORADOR.

(4) iii. AGRADECIMIENTO Agradezco el apoyo, información, conocimiento, consejos que recibí de compañeros, docentes, amigos y familiares, y de todos y cada uno de quienes con sus palabras y acciones influyeron y motivaron positivamente en mi formación como profesional. Cada uno de ellos me ayudó a la par a mejorar como persona, convirtiéndose en mis orientadores y guías de vida, a veces, sin que ellos mismo lo supieran. En especial al Ing. ANDRES ZUMARRAGA quien ha sido un gran apoyo en la culminación de este proyecto, al Ing. CESAR AYABACA, JORGE ESCOBAR, quienes nos han guiado de buena manera. A la ESCUELA POLITECNICA NACIONAL, a sus directivos, dirigentes, personal docente y administrativo, compañeros y amigos de aula, con quienes he compartido una parte muy importante de mi vida. A mi compañero y amigo de tesis JP, con quien hemos realizado el presente trabajo.. Gorky Guillermo.

(5) iv. AGRADECIMIENTO Quiero agradecer a Dios por permitir que terminase una etapa más en mi vida, a mis amigos por brindarme su apoyo incondicional, al Ing. Andrés Zumárraga por su valiosa amistad y enseñanzas; al Ing. César Ayabaca por su colaboración y agradecimiento especial al Ing. Jorge Escobar.. Juan Pablo.

(6) v. DEDICATORIA. A mi amada esposa, pilar fundamental de mi vida profesional, gracias a ti por estar a mi lado todo este tiempo dedicándome tiempo y paciencia, a mis queridos hijos MARTIN y ANTHONELA, fuente de amor, motivación y admiración quienes son el centro de mi nuevo universo que junto a ellos soy el ser más feliz del planeta enseñándome cosas muy valiosas día a día, a ustedes mis hijitos, todo este esfuerzo y dedicación. Gracias DIOS, por concederme la mejor de las familias. A mis hermanos, Alex por su apoyo incondicional, Gerson sé que el cielo siempre estás pendiente de mi cuidado y mi familia gracias por permanecer junto a nosotros; a mis queridos padres por estar pendientes que todos sus hijos sean profesionales de bien, quienes con sus palabras de aliento me inculcaron a que sea perseverante y cumpla con mis ideales.. Gorky Guillermo.

(7) vi. DEDICATORIA. Quiero dedicar el presente proyecto a todas aquellas personas que forman parte esencial de mi vida; que día a día me brindan su apoyo, amistad y amor de manera incondicional, en especial a mi Madre que siempre me apoya en cada nueva etapa de mi vida.. Juan Pablo.

(8) vii. ÍNDICE. RESUMEN ....................................................................................................................................... xii PRESENTACIÓN .......................................................................................................................... xiv CAPÍTULO I...................................................................................................................................... 1 1.. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ........................................................................................ 1. 1.1. ANTECEDENTES ..................................................................................................................... 1 1.2. SISTEMAS DE SEGURIDAD VEHICULAR .......................................................................... 2 1.2.1. SISTEMA DE FRENOS ....................................................................................................... 3 1.2.2. NEUMÁTICOS ..................................................................................................................... 5 1.2.3. FUERZAS Y MOMENTOS EN EL VEHÍCULO ................................................................ 9 1.2.4. FRENOS ABS ..................................................................................................................... 17 1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ................................................................................. 30 CAPÍTULO II .................................................................................................................................. 32 2.. REVISIÓN DE NORMATIVAS Y REGULACIONES INTERNACIONALES ................ 32. 2.1. NORMA 49 CFR. PARTE 571 ESTÁNDAR N° 105 SISTEMA DE FRENOS HIDRÁULICOS Y ELÉCTRICOS. ................................................................................................. 35 2.2. NORMA 49 CFR. PART 571 ESTÁNDAR N° 135 SISTEMA DE FRENOS EN VEHÍCULOS LIGEROS ................................................................................................................. 36 2.3. REGULACIÓN N° 13-H DISPOSICIONES UNIFORMES RELATIVAS A LA APROBACIÓN DE LOS VEHÍCULOS AUTOMÓVILES DE PASAJEROS EN LO RELATIVO AL FRENADO................................................................................................................................. 38 2.4. CONDICIONES GENERALES PARA PRUEBAS DE FRENADO CON BASE A NORMAS Y REGULACIONES INTERNACIONALES ................................................................................. 42 2.5. PROCEDIMIENTO PARA LAS PRUEBAS DE FRENADO EN VEHÍCULOS EQUIPADOS CON EL SISTEMA ABS................................................................................................................. 46 2.5.1. PROCEDIMIENTO SEGÚN 49 CFR. PARTE 571 ESTÁNDAR N° 105 ........................ 46 2.5.2. PROCEDIMIENTO SEGÚN 49 CFR. PARTE 571 ESTÁNDAR N° 135 ........................ 47 2.5.3. PROCEDIMIENTO SEGÚN REGULACIÓN ECE 13-H ................................................. 48 2.6. PROCEDIMIENTO DE PRUEBAS DE FRENADO EN VEHÍCULOS EQUIPADOS CON SISTEMA ABS EN CAMINOS IRREGULARES EN BASE A LAS NORMAS INTERNACIONALES .................................................................................................................... 50 2.6.1. CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL SISTEMA DE FRENOS .................................. 50 2.6.2. CONDICIONES DEL VEHÍCULO DE PRUEBAS .......................................................... 51 2.6.3. CONDICIONES AMBIENTALES ..................................................................................... 52.

(9) viii. 2.6.4. CONDICIONES DE LA SUPERFICIE DE PRUEBAS DE FRENADO........................... 53 2.6.5. CONDICIONES DE PRUEBA PARA EL DESEMPEÑO DEL SISTEMA DE FRENOS ABS 53 2.6.6. PROTOCOLO DE PRUEBAS EN CAMINOS IRREGULARES...................................... 55 2.7. SELECCIÓN DEL VEHÍCULO DE PRUEBAS ..................................................................... 62 2.8. INSTRUMENTACIÓN Y RECOLECCIÓN DE DATOS ...................................................... 64 CAPÍTULO III ................................................................................................................................. 67 3. REALIZACIÓN DE PRUEBAS DE FRENADO EN CAMINOS IRREGULARES EN EL ECUADOR ...................................................................................................................................... 67 3.1. PREPARACIÓN DE LOS VEHÍCULOS DE PRUEBA ......................................................... 67 3.1.1. REGLAJE Y OPERACIÓN DEL SISTEMA DE FRENOS............................................... 68 3.1.2. ESTADO DE LOS NEUMÁTICOS ................................................................................... 69 3.1.3. PESO DEL VEHÍCULO ..................................................................................................... 71 3.2. SELECCIÓN DE LA SUPERFICIE DE PRUEBAS ............................................................... 72 3.2.1. VÍA CON SUPERFICIE DE RODADURA ASFALTADA .............................................. 73 3.2.2. VÍA CON SUPERFICIE DE RODADURA EMPEDRADA ............................................. 75 3.2.3. COEFICIENTES DE ADHERENCIA DE LAS SUPERFICIES DE PRUEBA ................ 78 3.3. RESULTADOS DE PRUEBAS DEL SISTEMA ABS ........................................................... 85 3.3.1. MAZDA BT-50 DIESEL 4x4 C.D...................................................................................... 85 3.3.2. CHEVROLET LUV D-MAX 4x4 DIÉSEL C.D. ............................................................... 87 3.3.3. TOYOTA HILUX 4x4 GASOLINA C.D. S.R. .................................................................. 89 3.3.4. TABULACIÓN DE RESULTADOS DE LAS PRUEBAS ................................................ 91 CAPÍTULO IV ................................................................................................................................. 93 4.. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 93. 4.1. CONCLUSIONES .................................................................................................................... 93 4.2. RECOMENDACIONES .......................................................................................................... 95 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................. 96 ANEXOS.......................................................................................................................................... 98.

(10) ix. ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1.1 Sistema de freno de servicio. ........................................................................... 4 Figura 1.2 Estructura de un neumático. ............................................................................ 6 Figura 1.3 Recorrido de frenado según el desgaste acanalado. ....................................... 8 Figura 1.4 Fuerzas y momentos sobre el vehículo. ..........................................................11 Figura 1.5 Fuerzas del neumático. ...................................................................................14 Figura 1.6 Coeficiente de adherencia y fuerza lateral. .....................................................17 Figura 1.7 Zona de eficiencia del ABS. ............................................................................19 Figura 1.8 Esquema del sistema ABS. .............................................................................22 Figura 1.9 Ubicación del sensor de velocidad. .................................................................23 Figura 1.10 Ubicación del EBCM .....................................................................................24 Figura 1.11 Grupo hidráulico. ...........................................................................................26 Figura 1.12 Circulación de presión del líquido..................................................................27 Figura 1.13 Regulación de frenado con diferentes coeficientes de frenado. ....................30 Figura 2.1 Diagrama de cuerpo libre de un vehículo acelerando. ....................................40 Figura 2.2 Diagrama de cuerpo libre para determinar la altura del centro de gravedad de un vehículo. .....................................................................................................................42 Figura 2.3 Ubicación de señales sobre la calzada para medición de distancias de frenado. ........................................................................................................................................65 Figura 2.4 Sensor de aceleración 3D Cobra 4. ................................................................66 Figura 3.1 Modulo ABS de los vehículos de prueba. ........................................................69 Figura 3.2 Medición profundidad labrado de neumático. ..................................................70 Figura 3.3 Enllantaje del vehículo de pruebas..................................................................70 Figura 3.4 Cargas utilizadas para pruebas vehiculares. ...................................................72 Figura 3.5 Distribución de los costalillos en los vehículos de prueba. ..............................72 Figura 3.6 Ubicación de la vía con superficie de rodadura asfaltada................................74 Figura 3.7 Vías de pruebas con superficie de rodadura asfaltada. ...................................74 Figura 3.8 Medición de la vía de pruebas con superficie de rodadura asfaltada. .............75 Figura 3.9 Ubicación geográfica de la vía con superficie de rodadura empedrada. ..........76 Figura 3.10 Vía de pruebas con superficie de rodadura empedrada. ...............................76 Figura 3.11 Medición del largo de la vía de pruebas con superficie de rodadura empedrada. .....................................................................................................................77 Figura 3.12 Medición del ancho de la vía de pruebas con capa de rodadura empedrada. ........................................................................................................................................77 Figura 3.13 Pesaje del eje posterior del vehículo de pruebas. .........................................78.

(11) x. Figura 3.14 Diagrama de cuerpo libre ideal del vehículo. .................................................79 Figura 3.15 Ubicación del sensor de aceleración en el vehículo. .....................................80 Figura 3.16 Registro de datos del sensor de aceleración 3D. ..........................................80 Figura 3.17 Desaceleración del centro de masa del vehículo Mazda BT-50 en superficie de rodadura empedrada a 50 km/h. .................................................................................82 Figura 3.18 Desaceleración del centro de masa del vehículo Mazda BT-50 en superficie de rodadura asfaltada a 50 km/h. ....................................................................................83 Figura 3.19 Desaceleración del centro de masa del vehículo Chevrolet Luv D-Max en superficie asfaltada a 100 km/h. ......................................................................................84 Figura 3.20 Desaceleración del centro de masa del vehículo Mazda BT-50 en superficie de rodadura empedrada a 70 km/h. .................................................................................86 Figura 3.21 Desaceleración del centro de masa del vehículo Mazda BT-50 en superficie de rodadura asfaltada a 70 km/h. ....................................................................................86 Figura 3.22 Desaceleración del centro de masa del vehículo Chevrolet Luv D-Max en superficie de rodadura empedrada a 70 km/h. .................................................................88 Figura 3.23 Desaceleración del centro de masa del vehículo Chevrolet Luv D-Max en superficie de rodadura asfaltado a 70 km/h. ....................................................................88 Figura 3.24 Desaceleración del centro de masa del vehículo Toyota Hilux en superficie de rodadura empedrada a 70 km/h. ......................................................................................90 Figura 3.25 Desaceleración del centro de masa del vehículo Toyota Hilux en superficie de rodadura asfaltado a 70 km/h. .........................................................................................90 Figura 3.26 Distancias de frenado de los vehículos de prueba. .......................................91 Figura 3.27 Tiempos de frenado de los vehículos de prueba. ..........................................92 Figura 3.28 Aceleraciones pico máximo de los vehículos de prueba. ..............................92.

(12) xi. ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1.1 Grupo de neumáticos y normas asociadas........................................................ 7 Tabla 1.2 Coeficientes de adherencia. .............................................................................16 Tabla 1.3 Participación del mercado del sector automotriz 2013. ....................................31 Tabla 1.4 Vehículos más vendidos del segmento camionetas 2013. ...............................32 Tabla 2.1 Comparación de las condiciones de pruebas de frenado entre normativas. .....43 Tabla 2.2 Distancias de frenado. .....................................................................................47 Tabla 2.3 Condiciones para realizar la prueba de frenado. ..............................................54 Tabla 2.4 Ficha del protocolo de pruebas de frenado. .....................................................55 Tabla 2.5 Modelos de camionetas equipadas con ABS ofertadas en el Ecuador. ............62 Tabla 2.6 Modelos de camionetas ofertadas en el mercado de vehículos usados. ..........63 Tabla 2.7 Datos técnicos Acelerómetro 3D Cobra 4.........................................................66 Tabla 2.8 Especificaciones técnicas termómetro infrarrojo Fluke serie 63. ......................66 Tabla 3.1 Disposición de frenos ABS. ..............................................................................68 Tabla 3.2 Neumáticos por tipo de camioneta. ..................................................................69 Tabla 3.3 Pesos y capacidades de vehículos. .................................................................71 Tabla 3.4 Condiciones físicas de la vía de pruebas con superficie asfaltada. ..................75 Tabla 3.5 Condiciones físicas de la vía de pruebas con superficie empedrada. ...............77 Tabla 3.6 Fuerzas normales ejercidas en los ejes del vehículo de pruebas y distancia del centro de gravedad a los ejes. .........................................................................................79 Tabla 3.7 Factores de estabilidad de las vías de pruebas. ...............................................81 Tabla 3.8 Condiciones de prueba para determinar el coeficiente de adherencia..............81 Tabla 3.9 Coeficientes de adherencia de la vía de prueba. ..............................................83 Tabla 3.10 Datos promedio de tiempo, distancia de frenado y desaceleración registrados en la prueba de frenado del vehículo Mazda BT-50 a 50 km/h. .......................................84 Tabla 3.11 Condiciones de prueba para el sistema ABS Mazda BT-50. ..........................85 Tabla 3.12 Datos promedio de tiempo, distancia de frenado y desaceleración registrados en la prueba de frenado del vehículo Mazda BT-50 a 70 km/h. .......................................87 Tabla 3.13 Condiciones de prueba para el sistema ABS Chevrolet Luv D-Max. ..............87 Tabla 3.14 Datos promedio de tiempo, distancia de frenado y desaceleración registrados en la prueba de frenado del vehículo Chevrolet Luv D-Max a 70 km/h. ...........................89 Tabla 3.15 Condiciones de prueba para el sistema ABS Toyota Hilux. ............................89 Tabla 3.16 Datos promedio de tiempo, distancia de frenado y desaceleración registrados en la prueba de frenado del vehículo Toyota Hilux a 70 km/h. .........................................91.

(13) xii. RESUMEN El desarrollo de la industria automotriz a nivel mundial ha ido creciendo a pasos agigantados, poniendo un especial interés en los sistemas de seguridad activa y pasiva que equipan a los vehículos en la actualidad. Dichos sistemas son evaluados y certificados mediante organismos especializados encargados de la regularización y estandarización de reglamentos, normas y regulaciones para la industria automotriz. En el Ecuador, una de las normas que regulan los diferentes sistemas y subsistemas con los que vienen equipados los automóviles, es la norma RTE INEN-034 que valora los elementos de seguridad basándose en regulaciones y normativas como son ECE 13-H, y el código federal para la homologación vehicular CFR-49. El presente trabajo fija un especial interés en el estudio del desempeño del sistema de frenos equipados con ABS en condiciones reales según la geografía Andina, en especial en los caminos propios de la región. En capítulo I, se aborda brevemente la problemática que permitió desarrollar éste proyecto. Se indica de manera breve que las condiciones de prueba en las cuales se realizan las homologaciones a nivel internacional contemplan únicamente vías con superficie de rodadura asfaltada, vías que ocupan aproximadamente el 12% del total de la Red Vial del Ecuador. De la misma manera se recopila todo el marco teórico acera del funcionamiento del sistema de frenos ABS y sus componentes. que. interactúan. en. el. desempeño. eficiente. del. mismo;. adicionalmente las condiciones dinámicas de comportamiento de la rueda frenada. En el capítulo II, se realiza un análisis de las normas que regulan y valoran el correcto funcionamiento del sistema de frenos y el desempeño del mismo cuando el vehículo viene equipado con ABS. Considerando las referencias bibliográficas de las norma RTE INEN-034 en las que se cita a la regulación ECE 13-H principalmente, se realiza una tabla comparativa entre la regulación europea y la regulación americana CFR 49, para ponderar y aplicar aquellos incisos que más se adapten a nuestro medio geográfico. Una vez analizados los aspectos cualitativos como cuantitativos se concluye que la norma más favorable es la ECE-13H, apoyándonos de las condiciones, y herramientas para obtener datos.

(14) xiii. reales y se establece un proceso para ejecutar las pruebas de frenado en vías con superficie de rodadura empedrada. En el capítulo III, se procesan los datos registrados como coeficientes de adherencia y de frenado de las vías de pruebas; aceleraciones y fuerzas a las que se someten al vehículo cuando se pisa el pedal del freno. Se construyen las gráficas de desaceleración versus tiempo que permiten tener una idea del comportamiento en sí del sistema del vehículo al momento de realizar un freno de pánico. Finalmente, en el capítulo IV, se muestran las conclusiones en las cuales se analizan las variables involucradas al momento de frenar, lo que permite estudiar el desempeño del sistema ABS realizado en los vehículos de prueba seleccionados y las debidas recomendaciones en el caso de que se deseen realizar más pruebas de desempeño en caminos con superficie de rodadura empedrada. En los anexos constan varias tablas, normas a utilizar, proformas de vehículos alquilados, tablas cuantitativas de los datos de laboratorio, fotografías que validan los datos obtenidos. Estos anexos permiten al lector comprender de mejor manera el documento, y a los autores les permite justificar la información que está escrita en el mismo..

(15) xiv. PRESENTACIÓN El sistema de seguridad vehicular en la actualidad determina un papel muy importante en la selección y aprobación de los automotores, al momento de ingresar a un país, según las necesidades de los ocupantes; lo que propició que empresas automotrices demanden investigación para el correcto y oportuno funcionamiento de los distintos sistemas que componen los vehículos en la actualidad, siendo estos activos o pasivos. Para efectivizar el correcto funcionamiento a estos elementos de seguridad, se realizan pruebas de su funcionalidad pero en condiciones ideales bajo ciertas normas internacionales. El presente proyecto se realizó con el fin de conocer el desempeño del sistema de frenos ABS, en distintos vehículos de diferentes casas comerciales, en caminos irregulares propios de la región Andina; teniendo como antecedente que solo existen pruebas de estos sistemas en condiciones ideales, motivó el estudio y análisis de varios aspectos para obtener datos cuantitativos y comparar los resultados con pruebas internacionales. El Ecuador por su diversa geografía presenta condiciones de calzada diferente, tanto en zonas rurales como urbanas, por lo que se realiza pruebas de frenado siguiendo los procedimientos establecidos en las normativas internacionales y ajustadas a las superficies de las vías del país. Actualmente en nuestro país existen organismos que elaboran, emiten y regulan documentos técnicos centrados en la seguridad, no solo de los ocupantes sino también de los transeúntes; considerando que dichas normas no fueron valoradas en. nuestra. zona. geográfica,. teniendo la. necesidad mediante. ensayos. estandarizados la valoración de estos sistemas. Dado que la información existente sobre este tipo de estudio es escasa y son probadas y valoradas en condiciones ideales con un solo tipo de calzada, en este proyecto se desea plasmar el conocimiento empírico, teórico y práctico con sustento científico y tecnológico en condiciones reales propias de nuestra zona geográfica..

(16) 1. CAPÍTULO I. 1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 1.1.. ANTECEDENTES. La historia del automóvil se remonta a fines siglo XVII con la aparición de las máquinas a vapor. Fueron muchos aquellos que incursionaron en el campo del desarrollo de vehículos, los cuales funcionaban a vapor; pero estos motores tenían muchos inconvenientes a cuestas por lo que se empieza a buscar soluciones y es así que empezó con el desarrollo de los motores de combustión interna. Desde entonces los automóviles han sufrido cambios en sus diseños y tecnologías de funcionamiento y obviamente fabricación; adaptándose a las necesidades y exigencias de los fabricantes y sin descuidar las de los usuarios. Con motores cada vez más potentes las velocidades alcanzadas se incrementan lo que hace que se empiece a mejorar las seguridades del automotor, desarrollándose mecanismos de seguridad activa y pasiva. El sistema de frenos es un mecanismo de seguridad activa que “permite al conductor la detención del vehículo a su voluntad”1. Al aplicar los frenos de forma brusca en una situación de emergencia, las ruedas quedan bloqueadas con la consiguiente pérdida de control de vehículo, razón por la cual se inventó el sistema de frenado antibloqueo (ABS por sus siglas en inglés) para tener un frenado más eficiente sin perder el control del automotor. A. nivel. mundial,. existen. organismos. especializados. encargados. de. la. regularización y estandarización para la industria automotriz. Estos organismos elaboran y emiten reglamentos técnicos sobre los requisitos de seguridad y los requerimientos para realizar la seguridad vehicular. Organismos como UNECE (United Nations Economic Commission for Europe), NHTSA (National Highway Traffic. Safety. Administration),. JASIC. (Japan. Automobile. Standards. Internationalization Center) son ejemplos de tales entidades. A nivel del país, el 1Martí. Parera, Albert. Frenos ABS. España: Maracobo S.A., 1993..

(17) 2. Instituto Ecuatoriano de Normalización (INEN) es el organismo encargado de elaborar y emitir la reglamentación y normalización de documentos técnicos basados en acuerdos y convenios internacionales. Para que un vehículo ingrese al Ecuador se establece la homologación vehicular que es “el proceso mediante el cual la Agencia Nacional de Tránsito certifica que un modelo que se pretende comercializar, cumple con todas las normas técnicas de emisión y seguridad que le son aplicables”2. Este proceso se efectúa verificando el cumplimiento del Reglamento Técnico Ecuatoriano RTE INEN 034 “Elementos mínimos de seguridad en vehículos automotores”. En el Instructivo de Verificación de Conformidad para la Homologación Vehicular, acepta los certificados o reporte de pruebas otorgados por laboratorios u organismos que gocen de reconocimiento internacional3. Ahora bien, se debe considerar que las pruebas efectuadas por los laboratorios son realizadas en condiciones geográficas muy diferentes a las que presenta el Ecuador.. 1.2.. SISTEMAS DE SEGURIDAD VEHICULAR. Le exigencia de elementos más seguros en la actualidad ha permitido que los fabricantes de vehículos a nivel mundial gasten grandes cantidades de dinero en el estudio y diseño de sistemas de seguridad, tanto pasiva como activa, colocando componentes más eficientes, para que los vehículos estén menos propensos a sufrir accidentes. Entre los sistemas de seguridad que han ido evolucionando, están los sistemas de freno, que en la actualidad no solo cumplen la función de detener al vehículo sino de brindarle maniobrabilidad, conductibilidad, al momento de encontrarse con diferentes tipos de calzadas, o condiciones geográficas, El freno es considerado como uno de los elementos más importantes y primordiales en el vehículo cuyas partes o instalaciones sirven para disminuir o cambiar la masa vehicular, para. 2. Agencia Nacional de Tránsito. [En línea] [Citado el: 14 de junio de 2014] http://www.ant.gob.ec/index.php/servicios/transito-12/que-es-la-homologacionvehicular#.U5zSYEDV_1U. 3 Laboratorios que pertenezcan al Foro Mundial para la Armonización de los Reglamentos sobre Vehículos (WP.29) de la UNECE..

(18) 3. llevar todo el conjunto vehicular en un estado de reposo según la necesidad del conductor, o cuando él lo requiera.. 1.2.1. SISTEMA DE FRENOS. Considerado como un elemento esencial en el sistema de seguridad activa, “se tomará a consideración los diferentes conceptos basándose en la norma DIN 70024 y la ISO 611 indicando los diferentes tipos y sistemas que posee un automotor” 4, y determinar si estos elementos ofrecen su servicio adecuadamente para disminuir la velocidad o el cambio del mismo, y que el vehículo llegue al reposo o mantener el mismo en dicho estado, según la necesidad del conductor. Se considera que absolutamente todos los vehículos poseen sistemas de frenos denominándolos también equipo de frenos, cuyos sistemas se pueden clasificar según el tipo de construcción y el modo de funcionar.. 1.2.1.1. Tipos de construcción. Los sistemas de frenos son indispensables y fundamentales en el la seguridad activa, lo que mediante disposiciones legales, y mediante norma ISO 611, se distribuyen en 3 sistemas.. ·. Sistema de freno de servicio. ·. Sistema auxiliar de freno. ·. Sistema de freno de estacionamiento. 1.2.1.1.1. Sistema de freno de servicio. El freno de servicio es considerado como el freno principal del vehículo, considerado como un elemento mecánico accionado con el pie derecho en su accionamiento e hidráulico en su funcionamiento como se observa en la figura 1.1. Este sistema actúa sobre todas las ruedas permitiendo disminuir la velocidad del vehículo durante su funcionamiento, con efecto gradual, o detener el vehículo. 4. Karl Heinz Dietsche, Manual de la Técnica del Automóvil, Alemania, 2005.

(19) 4. Figura 1.1 Sistema de freno de servicio. Fuente: Alonso Pérez, J.M. Sistemas de transmisión y frenado. Alemania. 1Eedición 2014.. 1.2.1.1.2. Sistema auxiliar de freno Este sistema, no es muy usual en vehículos en este caso de estudio de tipo ଵ y ଵ que transitan en nuestros distritos, pero la norma DIN 70024 y la ISO 611 determinan que los tengan como requerimientos mínimos de seguridad, por lo que. es tema de estudio. Tiene la forma de trabajar de una manera menos efectiva, la función de un freno de servicio siempre y cuando en caso de que este falle. Este mecanismo no necesita tener un sistema de freno independiente, como un servicio mecánico de mando individual, posee un segundo circuito hidráulico en algunos casos y en otros trabaja mediante un sistema graduable de freno de estacionamiento, y otras con elementos electromagnéticos, que regulan la fricción de los elementos rotacionales de una forma gradual hasta llegar al reposo, llamados retardadores que comúnmente vienen en vehículos de carga.. 1.2.1.1.3. Sistema de freno de estacionamiento. En la mayoría de los vehículos ligeros se acciona de forma mecánica para precautelar la seguridad íntegra del vehículo, sus ocupantes y alrededores, cuyo elemento es operado con la mano y mediante un cable acciona los diferentes dispositivos para trabar las ruedas traseras. Este sistema no dependerá de un sistema funcional, esto significa que por disposiciones legales será independiente y su funcionamiento explícitamente.

(20) 5. mecánico, teniendo una unión directa entre el mecanismo de accionamiento y el freno de rueda, actuando solo sobre un eje que por lo general es el trasero.. 1.2.1.2. Funcionamiento. El accionamiento del mecanismo de freno, por lo general se lo hace de una forma directa y mecánica al pedal de freno por fuerza muscular. La evolución de éste mecanismo es la multiplicación de la fuerza inicial de aplicación en el pedal hacia el conjunto final que sería en este caso el accionador de las pastillas o zapatas según corresponda, teniendo este sistema accionado por 2 fuerzas comúnmente utilizadas. ·. Sistema de freno accionado por fuerza muscular. ·. Sistema de freno accionado por fuerza auxiliar. 1.2.1.2.1. Sistema de freno accionado por fuerza muscular. Utilizado este sistema en vehículos hasta finales del año 80 y en motocicletas, significa que la fuerza inicial aplicada al pedal de freno es transmitida mecánicamente, sea esta por varillaje o un cable flexible de accionamiento; o de modo hidráulico mediante cañerías que accionan directamente el conjunto de frenos en las ruedas, esto significa que la energía necesaria para generar la disminución de velocidad depende exclusivamente de la fuerza física del conductor del automotor.. 1.2.1.2.2. Sistema de freno accionado por fuerza auxiliar. La evolución de este sistema para que sea más efectivo determinó que es apropiado y adecuado la utilización de otro elemento que ayude a aumentar la fuerza inicial del frenado, utilizando un mecanismo auxiliar sea este por depresión o por fuerza auxiliar, siendo este funcionamiento más suave y efectivo para el conductor del automotor, comúnmente utilizado en nuestro medio en todos los automotores. 1.2.2. NEUMÁTICOS.

(21) 6. Considerado físicamente como una pieza toroidal flexible, y en su estructura hecho de caucho, se coloca en las ruedas de diversos vehículos y máquinas. Su función principal es permitir un contacto adecuado por adherencia y fricción con el pavimento, posibilitando el arranque, el frenado y la conductibilidad del automotor. Los neumáticos generalmente tienen alambres muy delgados como hilos que los refuerzan a éstos, y dependen de la orientación los alambres para determinarlos como diagonales o radiales, los de tipo radial es el estándar para casi todos los automotores modernos. Los vehículos que se estudiaran son de tipo M1* y N1**, que van equipados solo con neumáticos radiales, los de tipo diagonal son importantes solo en motocicletas, bicicletas, maquinaria de movimientos de tierra, vehículos industriales y agrícolas.. Figura 1.2 Estructura de un neumático. Fuente: http://www.pirelli.com/tyre/es/es/vehicle/sheet/angel_st.html. Los diferentes grupos de neumáticos en nuestro medio cubrirán parámetros de exigencia según sus condiciones de utilización como, tamaño, velocidad, carga entre. los más importantes.. Los datos. iniciales y principales. para el. dimensionamiento del neumático, como carga, presiones de aire, velocidades, están nombrados y normados en la estructura del neumático, o según el *. Los vehículos que tengan 3 ó 5 puertas y ventanas laterales detrás del conductor, no excediendo un peso máximo cargado de 3,5 ton., diseñado y construido originalmente para el transporte de pasajeros. ** Vehículos utilizados para transporte de carga y con un peso máximo que no exceda las 3.5. ton. métricas..

(22) 7. fabricante con ese tipo de numeración de neumático todos los parámetros de seguridad activa trabajan eficientemente, ver tabla 1.1. En cuanto a su estructura, según su técnica y estado de desarrollo, se diferencian varios tipos de diseño de neumáticos. Éstos vienen determinados por diferentes propiedades de uso y de rodadura de emergencia que debe presentar un neumático corriente. Normas y directrices legales prescriben en qué condiciones tienen que montarse los diferentes tipos de neumáticos, hasta que velocidades puede usarse y a que clasificación corresponden. Tabla 1.1 Grupo de neumáticos y normas asociadas.. N° UTILIZACIÓN DEL NEUMÁTICO 1. 2. 3. 4. DIN. MOTOS: Motocicletas, scooters, motos de 7801, pequeña cilindrada, motociclos. de recambio especiales VEHÍCULOS INDUSTRIALES LIGEROS: Incluidas furgonetas INDUSTRIALES:. 7802,. 7810. TURISMOS: Incluidos las combi y ruedas. VEHÍCULOS. Wdk (2). Incluidos. los de uso múltiple. 119. 7803. 128, 203. 7804. 132, 133. 7805, 7793. 134,135,142 143,144,153. MÁQUINAS PARA EL MOVIMIENTO DE 5. TIERRAS: Vehículos de transporte, placas 7798, 7799. 145, 146. cargadoras, excavadoras VEHÍCULOS 6. DE. TRASPORTE. DE. SUPERFICIE: Incluidos los neumáticos 7811, 7845. 171. macizos 7. AGRICULTURA: Tractores, máquinas de 7807, trabajo, remolques. 7813. 7808,. 156, 161. Fuente. ETRTO, European tyre and Rim Technical Organization, Bruselas..

(23) 8. 1.2.2.1. NORMAS DE LOS NEUMÁTICOS. Los neumáticos poseen varias mediciones de seguridad y trabajo, según los delineamientos europeos y de EE.UU, con ayuda de FMVSS (Federal Motor safety Standard). Tomando como dato importante para el respectivo estudio todo el perímetro y su ancho una banda de rodadura acanalada con una profundidad de perfil 1.6 mm como mínimo, ya que el recorrido de frenado va aumentando exponencialmente a medida que disminuye la profundidad del perfil, ver figura 1.3, esto dependerá mucho del mantenimiento respectivo que se le dé a todo el conjunto de neumáticos, determinando así que el desgaste sea uniforme según su recorrido. Al montar los neumáticos tomar en cuenta que estén alineados y balanceados, que se use el mismo tipo de neumático en todas las ruedas, es importante observar y medir cuantitativamente el desgaste de la rodadura del vehículo y no. Recorrido de frenado. dejar que llegue al límite establecido por que pueden ocasionar accidentes.. Profundidad del Perfil. Figura 1.3 Recorrido de frenado según el desgaste acanalado. Fuente: BOSCH, Sistema para la estabilización del vehículo, Alemania 2005.. 1.2.2.2.. Condiciones del neumático al momento del frenado. Al momento que la rueda está girando y se produce el frenado, la rueda tiende a producirse un desgaste por causa del deslizamiento entre la banda de rodadura y la superficie de la vía, la elasticidad del neumático ocasiona que se deforme, según las condiciones atmosféricas el neumático pierde sus características.

(24) 9. originando perdida de energía, considerado también como la diferencia entre la distancia teórica de frenado y la distancia real recorrida por el vehículo. La fórmula expresa que se produce resbalamiento por frenado, tan pronto como la rueda gira más despacio de lo que corresponde a la velocidad de la marcha, considerado a ésta a la velocidad de la trasmisión final producida por la tracción de la caja de cambios al diferencial y esta a los ejes o semiejes de salida, únicamente con esta condición se puede transmitir fuerzas de frenado o de aceleración4.. ߣൌ. ሺ௩ிି௩ோሻ. [1.1]. ௩ி. Ec.. Dónde: ߣ ൌ Deslizamiento.. ‫ ܨݒ‬ൌ Velocidad de marcha [m/s]. ‫ݒ‬ோ = Velocidad periférica de la rueda [m/s]. 1.2.3. FUERZAS Y MOMENTOS EN EL VEHÍCULO. 1.2.3.1.. Principio de inercia. Todo cuerpo tiende a permanecer o se esfuerza por estar en estado de reposo, o a su vez seguir manteniendo un estado en movimiento con velocidad constante, y si se desea aun cambio respectivo de estado debe transmitir o aplicar una fuerza.. 1.2.3.2.. Momentos. Los momentos del vehículo durante la marcha respecto a las ruedas que giran sobre su propio eje son giratoria consideradas como masas inertes. El momento de inercia que se determina en las ruedas del vehículo aumenta respectivamente. 4. Karl Heinz Dietsche, Manual de la Técnica del Automóvil, Alemania, 2005..

(25) 10. con el número de revoluciones de éstas, y por consecuencia con la velocidad de marcha. Al bloquearse los neumáticos que por lo general es en el eje delantero, las fuerzas que interactúan siendo estas las de inercia directamente aplicadas al centro de gravedad y las de adherencia o rozamiento en los neumáticos, proporcionan un momento de guiñada disminuyendo la perturbación lateral. Con estas consideraciones se tiene un sistema estable, lo que significa que dichas fuerzas hace que el vehículo en cierta característica recupere su posición longitudinal, teniendo estabilidad vehicular. Si el automotor se mantiene estático, la masa vehicular es repartida en los 2 ejes tanto delantero como posterior, con medidas de diseño propio de cada fabricante. Actualmente casi todos los vehículos comerciales poseen un ligero peso en el eje delantero esto se debe por condición de diseño, importante al momento de traccionar en un solo eje. Al tener un menor peso en el eje trasero implica que por condición de diseño se genere una repartición de fuerzas adecuadas para evitar el bloqueo excesivo al momento de frenar y evitar un momento mayor y por consecuencia un accidente. Además cuando se frena “aparece un momento de cabeceo alrededor del centro de gravedad, que genera una transferencia de carga del eje trasero al eje delantero. Esto significa, que no solo el eje trasero es menos pesado que el delantero, sino que además por dinámica vehicular en el eje trasero y siempre que se accione el freno, se va a descargar transfiriendo parte de esa carga al eje delantero” 5 La transferencia de carga que es producida al momento de frenar en los ejes de automotor son de la parte posterior al eje delantero, y estos dependerán paralelamente del centro de gravedad y la distancia entre ejes., por consiguiente las fuerzas distributivas de frenado serán diferentes, al igual que las fuerzas de aceleración. “Las diversas situaciones que aparecen en el proceso de frenado influyen en la dinámica del vehículo. Se puede simplificar en efecto de todas ellas como una resultante que se opone al movimiento instantáneo del mismo. Al considerar un sistema de referencia inercial, móvil con el vehículo, aparecerá una fuerza de. 5. Manual Técnico de Pastillas de freno, SEAT..

(26) 11. inercia sobre el vehículo en el centro de gravedad. Esta fuerza será paralela a la superficie de rodadura y lleva el sentido de avance del vehículo” 6 1.2.3.3.. Fuerzas en el vehículo. Independientemente de las condiciones físicas del vehículo como el peso, estado de marcha, actúan sobre éste, diferentes fuerzas sobre la estructura del chasis o carrocería como se observa en la figura 1.4, siendo éstas las siguientes.. ·. Fuerza en sentido longitudinal. ·. Fuerza en sentido transversal. Estos tipos de fuerzas que se experimentan tanto en sentido longitudinal como transversal se transmite a los neumáticos, y estos finalmente a la superficie de contacto o calzada, ya sea por la parte superior o lateralmente, a través del chasis, como es la fuerza del viento; la dirección como es la misma fuerza de la dirección, del motor y la caja de cambios, como es la fuerza motriz, o del sistema de frenado, considerado como la fuerza de frenado. En cambio en el sentido contrario existen fuerzas que actúan por debajo procedentes de la superficie de contacto sobre los neumáticos y así en el vehículo.. Figura 1.4 Fuerzas y momentos sobre el vehículo. Fuente: Tamayo J., Reyes G.. 6. Pablo Luque, Investigación de Accidentes de Tráfico, Netbiblo, España, 2007.

(27) 12. Es importante conocer las fuerzas que se ejercen desde el momento mismo que se aplica el pedal pasando por sistemas mecánicos e hidráulicos de accionamiento del sistema de frenos. Entre estas fuerza conocidas para el óptimo funcionamiento tenemos:. ·. Fuerza de accionamiento ሺ‫ܨ‬஼ ሻ, fuerza de accionamiento que se ejerce al dis-. positivo de accionamiento. ·. Fuerza de apriete ሺ‫ܨ‬ௌ ሻ, considerado como la fuerza total que se ejerce en los. frenos de fricción sobre un elemento friccionante que, debido al roce resultante, produce la fuerza de frenado. ·. Par de frenado, producto entre las fuerzas de rozamiento generadas por la fuerza de apriete y la distancia entre los puntos de aplicación de estas fuerzas, desde el eje de giro de las ruedas.. ·. Fuerza total de frenado ൫‫ܨ‬௙ ൯, suma de las fuerzas de frenado que actúan en la. superficie de contacto de todas las ruedas, que se originan por el efecto del sistema de freno y que son contrarias al movimiento del vehículo o a la tendencia de su movimiento. ·. Distribución de la fuerza de frenado, fuerza de frenado en cada eje, expresada en porcentaje %, en relación con la fuerza total de frenado ሺ‫ܨ‬௧ ሻ, se considera que en el eje delantero se tiene un 60% con respecto al eje trasero de un 40%.. ·. Valor característico de freno ሺ‫ כ ܥ‬ሻ relación entre la fuerza tangencial total y la. fuerza de apriete de cada uno de los frenos. ‫ כܥ‬ൌ [1.2]. ிೆ ிೄ. Ec.. Se considera a ሺ‫ܨ‬௎ ሻ, como la fuerza tangencial total y a ሺ‫ܨ‬ௌ ሻ a la fuerza de apriete. Cuando existen diferentes fuerzas de apriete en cada una de las mordazas de freno (i), se calcula el promedio de la siguiente manera:. ‫ܨ‬ௌ ൌ. σ ிೄ ௜. Ec. [1.3].

(28) 13. ·. Tiempo de frenado Este proceso de frenado tiene varios tiempos, definidos con su respectiva referencia a las curvas idealizadas.. ·. Recorrido o distancia de frenada s, considerada como la distancia que recorre el vehículo durante el tiempo de frenado,. ·. Trabajo de frenado (W), es determinado como la integral del producto de la fuerza de frenado momentánea ‫ܨ‬௧ y del elemento de la distancia de frenado, a. través de dicha distancia de frenado ‫ݏ‬.. ௦ ܹ ൌ ‫׬‬଴ ‫ݐܨ‬ጻǤ ݀‫ݏ‬. Ec. [1.4]. ·. Potencia de frenado momentánea, es la multiplicación de la fuerza de frenado. ·. total momentánea ሺ‫ܨ‬௧ ሻy la velocidad del vehículo.. Desaceleración de frenado, Considerado como la reducción de velocidad de. marcha provocada por el sistema de frenos en una unidad de tiempo. ·. Desaceleración momentánea (a), al dividir la reducción de velocidad, sobre la unidad de tiempo, determinada según la siguiente ecuación.. ܽൌ ·. ௗ௩. Ec. [1.5]. ௗ௧. Desaceleración media a lo largo del recorrido de parada ሺܽ௠௦ ሻ, al obtener la. velocidad del vehículo ሺ‫ݒ‬ை ሻ, en un momento to se obtiene la desaceleración media a lo largo del recorrido de parada ሺ‫ݏ‬ை ሻ. ௏௢ మ. ܽ௠௦ ൌ ଶௌ௢ ·. Ec. [1.6]. Desaceleración total media, considerado como el valor medio de la deceleración, en el espacio de tiempo desarrollado.. ·. Frenado ሺܼሻ, se considera como la relación entre la fuerza de frenado ሺ‫ܨ‬௧ ሻ y el. peso total elástico ሺ‫ܩ‬௦ ሻ o también llamado peso total del vehículo sobre el o los. ejes del mismo, correspondiendo a la relación entre deceleración de frenado y la aceleración terrestre..

(29) 14. 1.2.3.4.. Fuerzas de los neumáticos. El componente principal entre el vehículo y la calzada es el neumático, siendo éstos los dispositivos que trabajan directamente para lograr el movimiento y la maniobrabilidad deseada, encontrándose sobre ellos varias fuerzas para su correcto adecuado funcionamiento, como se observa en la figura 1.5.. Figura 1.5 Fuerzas del neumático. Fuente: http://www.aficionadosalamecanica.net/sistema_abs.htm. ·. Fuerza tangencial. Esta fuerza se produce por la impulsión o el frenado y actúa longitudinalmente sobre la superficie de la calzada.. ·. Fuerza de contacto del neumático. Es la fuerza del neumático y la carretera, vertical a la misma llamada también fuerza normal, determina el peso del vehículo y la distribución a cada rueda, además depende del grado de inclinación ascendente o descendente sobre la carretera..

(30) 15. ·. Fuerza lateral y transversal. Estas se producen al momento de mover la dirección del vehículo o soplar el viento lateral, ocasionando un cambio de dirección. Una fuerza lateral actúa sobre la rueda libremente, la relación entre la velocidad dirigida oblicuamente y la velocidad en sentido longitudinal se denomina resbalamiento transversal o también marcha oblicua.. 1.2.3.5.. Momentos de frenado. Al presionar el freno, se genera un contacto y una pérdida de energía en la parte final, es decir las zapatas fricciona al tambor, o las pastillas presionan al disco generando una fuerza de rozamiento, el resultado de la fuerza de rozamiento versus la distancia a la que actúan estas fuerzas genera el momento de frenado. Un factor al obtener una eficiencia de frenado es el radio de pivota miento, siendo esta la distancia entre el punto de apoyo de la rueda y el punto de intersección de viraje de la rueda sobre la superficie de calzada.. 1.2.3.6.. Coeficiente de adherencia. Se produce entre el neumático y la superficie de la calzada, es proporcional al momento de frenado, por consiguiente la fuerza de frenado dependerá del estado de la calzada, neumáticos, velocidad de marcha, y condiciones atmosféricas, como se observa en la tabla 1.2. La fuerza de fricción entre neumático y calzada determina la transmisión de fuerza, siendo así que los sistemas de seguridad ABS aprovechan al máximo la adherencia. Es considerado un elemento importante en la pérdida de adherencia el aquaplaning, llamado así cuando un vehículo pasa por una superficie a alta velocidad cubierta de agua, produciendo falta de tracción y descontrol del vehículo por parte del conductor. Existe también rozamiento en reposo y rozamiento de deslizamiento, esto quiere decir si un neumático que está rodando tiene situaciones en la que el coeficiente de resbalamiento de adherencia es.

(31) 16. mayor que el correspondiente al proceso de bloqueo existe deslizamiento o derrape.. Tabla 1.2 Coeficientes de adherencia.. TERRENO. ESTADO DEL NEUMÁTICOS TERRENO. HORMIGÓN. NUEVOS. USADOS. Seco. 0,9 – 0,7. 0,6 – 0,4. Mojado. 0,6 – 0,4. 0,4 – 0,3. Seco. 0,9 – 0,7. 0,6 – 0,4. Mojado. 0,6 – 0,4. 0,4 – 0,3. Seco. 0,9 – 0,7. 0,6 – 0,4. Mojado. 0,6 – 0,4. 0,4 – 0,3. BARRO. 0,2. 0,1. HIELO. 0,1. 0,1. ASFALTO GRUESO. ASFALTO NORMAL. Fuente: http://www.autotecnicatv.com.ar/autotecnica/index.php?kk_seccion=notas_tecnicas&id=16. Se puede observar en la figura 1.6 donde se tiene una zona estable (a), zona inestable (b), cuyas zonas dependen directamente del coeficiente de adherencia del neumático, sea este nuevo o usado, y su fuerza lateral..

(32) 17. Figura 1.6 Coeficiente de adherencia y fuerza lateral. Fuente: BOSCH, Sistema para la estabilización del vehículo, Alemania 2005.. 1.2.4. FRENOS ABS. Todos los sistemas de seguridad activa y pasiva han evolucionado por el bienestar de los ocupantes, considerados como parámetros importantes al momento de adquirir un vehículo. De esta manera las casas comerciales automotrices han invertido en la seguridad de manejo, siendo una de ellas el sistema de frenos teniendo como diseño de cada fabricante una gran cantidad de tipos con distintos funcionamientos, cuya finalidad es tener frenos más eficientes y seguros, con este objetivo que se creó el sistema ABS. Es considerado como un dispositivo que evita el bloqueo de las ruedas, al frenar posee un sensor electrónico de revoluciones, instalado en la rueda, detecta en cada instante de la frenada si una rueda está a punto de bloquearse. En caso afirmativo, envía una orden que reduce la presión de frenado sobre esa rueda y evita el bloqueo. El ABS mejora notablemente la seguridad dinámica de los vehículos, ya que reduce la posibilidad de pérdida de control del vehículo en situaciones extremas, permite mantener el control sobre la dirección, dichos estudios solo se los ha realizado sobre superficies afirmadas. Si durante un frenado que presente un riesgo de bloqueo de una o varias ruedas, el ABS tiene.

(33) 18. como función adaptar el nivel de presión del líquido de freno en cada rueda con el fin de evitar el bloqueo y optimizar el frenado, teniendo 3 factores importantes en su correcto funcionamiento:. ·. Estabilidad en la conducción, durante el proceso de frenado debe garantizarse la estabilidad del vehículo, tanto cuando la presión de frenado aumenta lentamente hasta el límite de bloqueo como cuando lo hace bruscamente, es decir, frenando en situación extrema.. ·. Conductibilidad, el vehículo puede conducirse al frenar en una curva aunque pierdan adherencia alguna de las ruedas.. ·. Distancia de frenado, es decir acortar la distancia de parada lo máximo posible. Para cumplir dichas exigencias, el ABS debe funcionar de modo muy rápido y exacto (en décimas de segundo) lo cual no es posible más que con una electrónica sumamente complicada, que por lo general se han realizado los diferentes estudios sobre superficies duras o afirmadas.. 1.2.4.1.. Funcionamiento. La principal función de un sistema de frenos ABS en trabajo normal es impedir que los neumáticos se bloqueen en una frenada de emergencia o sobre una superficie con un coeficiente de adherencia muy bajo o resbaladizo, cerciorando que el vehículo tenga conductibilidad y maniobrabilidad sobre la trayectoria de la calzada. Ya funcionando el sistema, al momento de bloquearse las ruedas, éstas no son capaces de transferir fuerzas de giro, por lo que el conductor perderá el control del automotor, para evitar que esto ocurra este sistema tiene una unidad de control ABS, que recibe señales de los sensores de velocidad ubicadas en las ruedas quienes controlan la velocidad rotacional en forma individual de todas las ruedas del vehículo, manteniendo una velocidad regulada e igual en todas las ruedas, manteniendo una adherencia y conductibilidad del automotor, estos procesos se los realiza en milésimas de segundo. El conductor estará pendiente del funcionamiento de éste sistema ya que al estar activado el conjunto hidráulico.

(34) 19. en fase de aumento y disminución de presión en el pedal de freno se sentirá una ligera palpitación, indicando el correcto funcionamiento del sistema ABS. Si al frenar se bloquea alguna de las ruedas, en la unidad de control central del sistema antibloqueo una válvula reduce la presión del sistema hidráulico en una fase sobre una de las ruedas, hasta que nuevamente empieza a girar libremente, luego que se detecta velocidad en esta rueda el grupo hidráulico nuevamente emite presión en el sistema hasta bloquearla, lo que permite que el automotor permanezca estable y controlable. Unos sensores ubicados en las ruedas controlan permanentemente la velocidad de giro de las mismas. A partir de los datos que suministra cada uno de los sensores, la unidad de control electrónica calcula la velocidad media, que corresponde aproximadamente a la velocidad del vehículo. Comparando la velocidad específica de una rueda con la media global se puede saber si una rueda amenaza con bloquearse, si es así, el sistema reduce automáticamente la presión de frenado en la rueda en cuestión hasta alcanzar un valor umbral fijado por debajo del límite de bloqueo. Cuando la rueda gira libremente se vuelve a aumentar al máximo la presión de frenado, solo una gira que rueda puede generar fuerzas laterales y, consecuentemente, cumplir funciones de guiado. Este proceso (reducir la presión de frenado / aumentar la presión de frenado) se repite hasta que el conductor retira el pie del freno o disminuye la fuerza de activación del mismo y el conductor solo nota un ligero efecto pulsante en el pedal del freno, como se observa en la figura 1.7.. Figura 1.7 Zona de eficiencia del ABS. Fuente: BOSCH, Sistema para la estabilización del vehículo, Alemania 2005..

(35) 20. 1.2.4.2.. Operación del sistema ABS. El sistema ABS, tiene como acción principal evitar el bloqueo de las ruedas si existe una condición de freno de emergencia, este principio se obtiene gracias a que el sistema modula la presión hidráulica en el sistema de frenos. Muchas son las condiciones por la que puede bloquearse los frenos, y de ello también dependerá la fuerza con la que se aplique en el pedal de freno. De estos entornos se genera la activación del sistema ABS, o de una acción repentina o un obstáculo que el conductor encuentre en el camino. Los ensayos realizados para valorar los sistemas de freno ABS para su correcta activación son hechos en camino con adherencia mojada y con hielo. Otra condición es que en caminos con una superficie irregular el sistema de frenos ABS impida que en el vehículo las ruedas pierdan adherencia y derrapen, permitiendo que el conductor tenga maniobrabilidad y control del automotor al momento de aplicar el pedal de freno en forma brusca o en condición de pánico, permitiendo que el sistema de frenos con ayuda de la electrónica controle de una forma eficaz la fuerza de frenado distribuyendo la presión de freno en cada uno de los neumáticos permitiendo el control del vehículo. El sistema de frenos ABS, opera inicialmente con un freno común accionando mecánicamente a un servo y una bomba, para prevenir el bloqueo inesperado de las ruedas. A medida que el vehículo va adquiriendo velocidad, con valores mayores a 7 km/h y esto depende del sistema que posea cada vehículo y su electrónica, la presión hidráulica en cada una de las ruedas es controlada de una forma eficaz para que el conductor pueda controlar y maniobrar el vehículo. El vehículo tiene varios módulos para su funcionamiento, no solo en el sistema de inyección electrónica, el sistema ABS posee un módulo de control electrónico que controla independientemente el sistema de frenos llamado EBCM, módulo de control electrónico de frenos, éste módulo controla y calcula la velocidad de las ruedas en forma independiente para regular e igualar las revoluciones durante el frenado evitando el desplazamiento y derrape de las ruedas permitiendo conductibilidad, maniobrabilidad y estabilidad del vehículo al momento de una frenada brusca o de emergencia..

(36) 21. 1.2.4.3.. Elementos del sistema ABS. El sistema de frenos ABS, posee varios elementos para que trabaje de una forma eficiente, utilizando la electrónica como primera instancia para regular y controlar la presión de frenado aplicada a cada una de las ruedas, para ello es necesario obtener datos de los sensores de velocidad ubicados en cada una de las ruedas, un módulo de control electrónico que calcule los datos de entrada, y una unidad del control hidráulico quien regula la presión de frenado a cada cilindro o caliper en cada rueda.. 1.2.4.3.1. Sensores de velocidad de giro de las ruedas. Estos elementos también llamados sensores inductivos o efecto hall tienen la función de detectar la velocidad individual en cada rueda, según la disposición del fabricante, o conjuntamente en la corona posterior. Con estos valores obtenidos se puede calcular el resbalamiento entre la rueda y la calzada, determinando así la funcionabilidad a bloquear la rueda para tener un freno eficiente. En la figura 2.8 se puede observar el esquema de un circuito de frenos con ABS, que es igual al circuito de frenos convencional al que se le ha añadido un hidro-grupo, una centralita electrónica de mando y unos detectores de régimen (RPM) a cada una de las ruedas, estos elementos forman el sistema ABS..

(37) 22. Figura 1.8 Esquema del sistema ABS. Fuente: Domínguez, E. Elementos Amovibles. Editex. México 2008.. Los sensores en forma general captan una variable física y la y la trasforma en variable eléctrica, lo que los sensores de velocidad ubicados en cada una de las ruedas miden la velocidad en forma de revoluciones individualmente de cada rueda, instalados según el fabricante junto a la manzana de las ruedas o junto a un engranaje de la corona o diferencial si posee tracción trasera, o una combinación de los dos. A medida que el vehículo adquiere velocidad, el sensor de velocidad llamado VSS, capta las revoluciones generada en la rueda, con ayuda de un sistema mecánico o piñón conocido como una rueda fónica, estos dientes metálicos son detectados por un sensor análogo y transfiere la información de la velocidad de las ruedas al módulo independiente del ABS, éste módulo con ayuda de la electrónica controla y ejecuta comandos para mantener el vehículo maniobrable, con presiones reguladas en cada una de las ruedas, al momento de presionar el pedal del freno en condición de pánico. Estos tipos de sensores pueden ser inductivos o de efecto hall, o también conocidos como sensores análogos o digitales, la diferencia radica en la forma de captar la señal, mediante inducción magnética las señales de salida serán cuadradas o sinusoidales, en el sensor posee un imán permanente que capta la señal al momento de juntarse el sensor con la parte metálica del diente de la rueda fónica o piñón, estas señales se dirigen hacia la computadora que controla el sistema de.

(38) 23. presión de frenado o llamado EBCM, están ubicados en la manzana de las ruedas, lo más cercano al eje final de salida, como se observa en la figura 1.9. Figura 1.9 Ubicación del sensor de velocidad. Fuente: Mazda Motor Corporation. Manual de Servicio Mazda BT-50. Suspensión y Frenos. 2008.. Entre los sensores de velocidad existe los activos, éstos tienen la característica de poseer un cable de alimentación para su funcionamiento, este voltaje será de 5 o 12 voltios dependiendo del fabricante, la ventaja de este sensor radica en la señal que es digital lo que permite tener una señal de velocidad instantánea a bajas velocidades.. 1.2.4.3.2. Unidad de control. Como toda centralita procesa las informaciones obtenidas de los diferentes sensores, con determinados métodos de cálculo matemático, cuyo resultado es enviado a la activación del grupo hidráulico. Este sistema electrónico digital, conocido como EBCM o módulo de control electrónico de frenos, éste módulo es el interfaz entre los sensores y el grupo hidráulico, quien en su memoria interna según las necesidades de los neumáticos y en condición de frenado determina que la necesidad de mantener modulado la presión de frenos en cada una de las ruedas. El módulo de control electrónico regula y redirige el fluido de frenos según lo requiera a cada una de las ruedas, la presión de los frenos aumenta o disminuye según la información que respecta la EBCM de las señales de entrada de los.

(39) 24. sensores de velocidad, para finalmente modular la presión de frenado en cada una de las ruedas e impedir el bloqueo de las mismas. El módulo de control del sistema ABS recoge las señales electrónicas de los sensores de velocidad sean estas análogas o digitales dependiendo del fabricante de cada una de las ruedas, sus funciones son.. ·. Compara y calcular las velocidades de las ruedas de forma independiente.. ·. Captar la velocidad del vehículo de una sola rueda, en algunos vehículos del eje de la corono o diferencial, ubicado en la salida de la caja de cambios.. ·. Determina cuando las ruedas están bloqueadas.. ·. Activa el sistema de frenos antibloqueo.. ·. Sectoriza alguna falla en el sistema gracias al sistema de autodiagnóstico.. ·. Almacena los códigos de servicio en su memoria.. Internamente está constituido por un microprocesador quien es el que realiza mediante modelos matemáticos ya diseñados los cálculos para controlar el grupo hidráulico. De igual manera guarda su información si existe algún fallo en el sistema para su reparación. El módulo va junto al grupo hidráulico, quien va conectado un socket de alimentación y recepción de las señales de entrada, como se observa en la figura 1.10. Figura 1.10 Ubicación del EBCM Fuente: Manual de Servicio Suzuki GRAND VITARA H25. Sistema de Frenos Antibloqueo. 2008..

(40) 25. Las válvulas electromagnéticas quienes comandan el funcionamiento del sistema de frenos ABS están ubicadas en el grupo hidráulico, formando una unidad de control de válvulas quienes son activados según su necesidad por medio de un controlador de intensidad de corriente y una etapa de potencia. Las señales de activación son captadas y enviadas de tal manera que cuando exista un frenado de pánico el vehículo no derrape y no tenga un giro que produzca inestabilidad, garantizando al conductor su maniobrabilidad en cualquier escenario.. 1.2.4.3.3. Grupo hidráulico. Este sistema, también llamado hidro-grupo, posee unas electroválvulas que pueden interconectar o interrumpir los conductos hidráulicos entre el cilindro principal y los cilindros de freno de la rueda, además existe comunicación entre los cilindros de las ruedas y la bomba de recirculación. La válvula de entrada entre el cilindro principal y el cilindro de freno de la rueda se encarga de la formación de presión El hidro-grupo o unidad hidráulica es un conjunto formado por motor-bomba, ocho electroválvulas, cuatro de admisión y cuatro de escape, y un acumulador para el fluido hidráulico de baja presión. Las electroválvulas están constituidas de un solenoide y de un inducido móvil que desarrolla las funciones de apertura y cierre. La posición de reposo es asegurada por la acción de un muelle incorporado. Todas las entradas y salidas de las electroválvulas van protegidas por unos filtros. Con el objeto de reducir la presión de los frenos se incorpora una válvula antiretorno a la válvula de admisión. La válvula se abre cuando la presión de la bomba de frenos sea inferior a la presión de estribo, por ejemplo, cuando se deja de frenar estando el ABS funcionando. El circuito de frenado está provisto de dos electroválvulas de admisión abiertas en reposo y de dos electroválvulas de escape cerradas en reposo. Será la acción separada o simultánea de las electroválvulas la que permitirá modular la presión en los circuitos de frenado. La unidad de control hidráulica capta y compara las señales con el módulo de control electrónico ABS, para luego en el grupo hidráulico aumentar o disminuir la.

(41) 26. presión en el sistema de frenos, esto significa que los solenoides o válvulas hidráulicas reducen o mantienen la presión y el flujo del líquido de frenos. El elemento electrónico conocido como motor bomba es energizado para mantener presurizado el sistema restaurando el flujo del líquido cuando el módulo de control del ABS determina que las ruedas ya no se van a bloquear, como se observa en la figura 1.11. Figura 1.11 Grupo hidráulico. Fuente: Tamayo J, Reyes G.. La bomba motor es utilizada en algunos casos para generar presión desde el depósito del líquido hacia las ruedas cuando éstas están a punto de bloquearse, dependiendo del tipo del vehículo y la tecnología que posee y evitar que se bloqueen, esta contrapresión se puede sentir en el pedal de freno, indicando que el sistema está trabajando en óptimas condiciones. La unidad de control hidráulica acciona las válvulas hidráulicas con ayuda de los solenoides para mantener, regular la presión del fluido que es enviada de la bomba principal hacia los cilindros o mordazas a cada una de las ruedas según su necesidad. Si las velocidades de entrada de los sensores son diferentes y la EBCM recepta una señal indicando que una de las ruedas está desacelerándose muy rápido, se acciona en el grupo hidráulico las válvulas quienes controlan y distribuyen la presión de frenado en forma independiente a cada una de las ruedas, manteniendo maniobrabilidad y conductibilidad. En la Figura 1.12 se puede observar la acción.

(42) 27. de un grupo de electroválvulas para el control antibloqueo de una rueda en la unidad de control hidráulico.. Figura 1.12 Circulación de presión del líquido. Fuente: Mazda Motor Corporation. Manual de Servicio Mazda BT-50. Suspensión y Frenos. 2008.. 1.2.4.3.4. Equipo motor-bomba. Está constituido por un motor eléctrico y de una bomba hidráulica de doble circuito, controlado por la unidad de control de bloqueo. La función de este equipo es rechazar el líquido de freno durante la fase de regulación desde el conjunto hidráulico hasta los cilindros de frenos.. 1.2.4.4.. Requerimientos para el funcionamiento del ABS. EL sistema de frenos, al ser considerado un elemento de gran importancia debe cumplir un sinnúmero de exigencias de seguridad como es la dinámica de frenado y de la técnica de los equipos de freno.. 1.2.4.4.1. Estabilidad de la marcha y maniobrabilidad. La regulación del frenado debe asegurar la estabilidad y maniobrabilidad en cualquier estado de la calzada. El ABS aprovechará al máximo en su totalidad el coeficiente de adherencia de las ruedas y la calzada al frenar, teniendo prioridad la estabilidad de marcha y la maniobrabilidad ante una eventualidad en el recorrido del frenado, sin tener.